题目：水下航行体仿生推进机理研究

本文以国防基础科研项目“水下航行体仿生运动机理研究”（课题编号J1300C1004）为背景，对鱼类的波动和拍动推进机理、尾鳍推进器的理论和设计、仿生机器鱼的航行稳定性以及自由航行状态下机器鱼的速度、效率开展了研究。 从速度身长比、推进效率和机动性等综合性能指标来看，当前水下航行器在水中的表现与海洋动物相比有很大差距。随着鱼类推进机理研究在生物观测、流体计算仿真和仿生实验科学的进展，以及仿生机器学的兴起，一些科学家认为仿生推进机理可以进入工程运用阶段。但早先的一些仿生机器鱼实验平台遇到了困难，使得机器鱼的速度和效率都低于预期，并且缺乏一套完善的推进机理和仿生推进器理论，来指导仿生推进器的设计和仿生机器工程的实施。本文围绕仿生推进机理及其在水下航行体的应用，围绕仿生推进的优点及其工程化实现，开展了系列的理论分析和实验验证工作。 仿生运动机理研究方面，研究了身体/尾鳍推进模式（BCF）的推进机理。首先对鳗鱼类和海豚的游动进行了观测，将其推进机理归结为“身体波动推进/减阻”和“尾鳍拍动推进”两个问题。波动推进方面，建立了鱼体波速和游动速度的关系，研制了仿生机器鳗鱼，实验表明，尾鳍波动的波速必须大于来流速度，鱼体才能获得推力；拍动推进方面，进行了流动显示观测，观察到尾鳍前缘驻涡以及反卡门涡街演化过程，说明大的推力和前缘驻涡有关，基于自由航行状态下的机器鱼模型实验，给出了尾鳍拍动最佳运动模式的参数范围。最后，研究了基于动量定理的尾鳍推进器推力估算问题，给出了推力、效率与斯特劳哈数的关系。通过这两方面的研究，得到了BCF模式仿生推进的一般运动机理，建立了运动参数和推力、效率的关系，从而为研制仿生推进器建立了理论基础。 仿生航行体总体设计方面，提出了“稳定性优先”的机器鱼设计思想。首先分析了鱼体摇摆对尾鳍推进的影响，通过计算和仿真分析，说明提高鱼体的升阻比、降低尾鳍摆动机构与鱼体的质量比可以显著地降低鱼体的摇摆，最后通过三个比例尺寸的机器鱼模型验证了改善稳定性将提高推进的有效性。 机器鱼平台实验验证方面，在多个实验模型的基础上，研制了工程化的SPC-II机器鱼实验平台。SPC-II采用了高效的两轴直流伺服系统作为推进动力，使得推进系统重量仅占排水量的10％，并且易于实现耐压结构。SPC-II能够以2～3节的速度航行2～3小时。采用等效拖曳法测定了鱼体的阻力，采用嵌入式的功率采集系统测定了自由航行状态下推进器的功耗，最后得到了SPC-II推进器的整体推进效率。此外，SPC-II机器鱼在北戴河进行了长距离测试，在福建东山参加了水下考古试验，这为仿生推进在实际工作环境中应用奠定了基础。